CN113406386A - 一种基于数字下变频的信号频率精确估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于数字下变频的信号频率精确估计方法，包括：步骤1，对单个脉冲信号S₀进行FFT变换并估计频率和带宽，获得该脉冲信号S₀的粗测频率f₀以及粗略带宽BW；步骤2，基于粗略带宽BW构造滤波器；将待处理的多个脉冲信号根据粗测频率f₀进行数字下变频后输入所述滤波器进行滤波，并对滤波后的脉冲信号进行时域变换；步骤3，通过将时域变换后的脉冲信号进行FFT变换得到脉冲信号频率的精确估计值。本发明能够在提升频率测量分辨率和精度的同时，降低运算量，用较小的运算量提升了频率估计精度，更加有利于实时处理场景下的脉冲信号频率精确估计。

Description

一种基于数字下变频的信号频率精确估计方法

技术领域

本发明涉及信号频率估计技术领域，具体而言，涉及一种基于数字下变频的信号频率精确估计方法。

背景技术

信号的参数估计是信号处理领域及其各个行业面临的重要问题，很多应用领域对信号频率估计的精度要求非常高。以电磁信号为例，对GHz量级的信号，测量精度一般要求是MHz量级，但有时会达到KHz，甚至更高。

对电磁信号的频率估计主要包括单脉冲频率估计和序列测频两种方法，基于硬件快速有效的离散傅里叶变换(DFT)算法可实现单脉冲频率估计，但是由于DFT固有分辨率导致频率估计往往精度不高，目前主要采用插值算法来提高频率估计精度，工程中使用较多的包括Rife法(双线幅度法)和 Quinn法(结合幅度相位法)。电磁环境中通常情况下需要对us量级的信号获得MHz的测量精度，这对单脉冲频率估计精度提出了极大的挑战。

电磁信号通常都是基于一个相参的基带信号进行脉内、脉间的各种再调制，信号前后脉冲的相位连续，因此很多电磁信号是相参的。而单脉冲频率估计利用未能充分利用信号的信息来提升估计精度，序列测频方法通过观察长时间的脉冲序列特征获得频率估计，可以获得更高精度的频率估计。常规的序列测频方法包括取样自相关法、最大似然法(MLE)以及基于特征分解的MUSIC法，这些方法估计精度受采样点数N影响较大，对信号性噪比要求较高。在实际工程中为了降低运算量和计算复杂度，通常只利用了脉冲序列的部分信息，不具备实时处理的要求。

发明内容

本发明旨在提供一种基于数字下变频的信号频率精确估计方法，以解决计算复杂度和运算量的问题，在提高频率估计精度的同时，降低运算量和算法复杂度，更加有利于电磁信号的实时、高精度测量。

本发明提供的一种基于数字下变频的信号频率精确估计方法，包括如下步骤：

步骤1，对单个脉冲信号S₀进行FFT变换并估计频率和带宽，获得该脉冲信号S₀的粗测频率f₀以及粗略带宽BW；

步骤2，基于粗略带宽BW构造滤波器；将待处理的多个脉冲信号根据粗测频率f₀进行数字下变频后输入所述滤波器进行滤波，并对滤波后的脉冲信号进行时域变换；

步骤3，通过将时域变换后的脉冲信号进行FFT变换得到脉冲信号频率的精确估计值。

进一步的，步骤2中基于粗略带宽BW构造的滤波器为中心频率为0，带宽为2×BW的滤波器。

进一步的，如果脉冲信号S₀的粗略带宽BW的估计误差与粗略带宽BW 的值相当或更高，可以通过适当增加滤波器带宽来确保输入滤波器的脉冲信号主频接近滤波器中心频率。

进一步的，步骤2中将待处理的多个脉冲信号根据粗测频率f₀进行数字下变频是指，将粗测频率f₀作为数字下变频的本振频率，由此对多个脉冲信号进行数字下变频，将多个脉冲信号变到零频。

进一步的，步骤3包括：

步骤31，将时域变换后的脉冲信号进行FFT得到梳状谱；

步骤32，基于梳状谱估计脉冲信号频率；

步骤33，根据估计的脉冲信号频率换算出脉冲信号频率的精确估计值。

进一步的，步骤32中基于梳状谱估计脉冲信号频率的方法为：从梳状谱的多个频率峰值中找到位于梳状谱正中心对应的频率峰值，该位于梳状谱正中心对应的峰值即为估计的脉冲信号频率。

进一步的，所述找到位于梳状谱正中心对应的频率峰值方法为：

根据粗测频率f₀确定位于梳状谱正中心对应的频率峰值；或者，

利用梳状谱的对称性确定位于梳状谱正中心对应的频率峰值。

进一步的，步骤33中根据估计的脉冲信号频率换算出脉冲信号频率的精确估计值的方法为：

f＝(N×f₁)+f₀；

其中，f为脉冲信号频率的精确估计值；f₀为粗测频率，也是数字下变频的本振频率；f₁为基于梳状谱估计的脉冲信号频率；N为时域变换的倍数。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明利用对脉冲信号数字下变频和滤波的方式，将信号变到零频附近，并根据脉冲信号的粗略带宽进行滤波和数字降速，由此本发明能够在提升频率测量分辨率和精度的同时，降低运算量，用较小的运算量提升了频率估计精度，更加有利于实时处理场景下的脉冲信号频率精确估计。具体地：

(1)加大提升了测量精度，对GHz量级的信号进行测试，能够达到 KHz量级的测量精度，远高于常用方法的MHz、100MHz精度；

(2)能够快速完成信号精确估计，只需10K点左右的FFT运算量，能够实现基于DSP或FPGA的信号实时测量；

(3)由于充分利用了信号的相参关系，显著提升了处理的信噪比，该方法能对灵敏度附近的低信噪比信号进行精确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的基于数字下变频的信号频率精确估计方法的总体流程图。

图2为本发明实施例的基于数字下变频的信号频率精确估计方法中步骤1的流程图。

图3为本发明实施例的基于数字下变频的信号频率精确估计方法中步骤2的流程图。

图4为本发明实施例的基于数字下变频的信号频率精确估计方法中步骤3的流程图。

图5为梳状谱的一般形式示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例提出一种基于数字下变频的信号频率精确估计方法，包括如下步骤：

步骤1，如图2所示，对单个脉冲信号S₀进行FFT变换得到一个频谱，利用频谱估计频率获得该脉冲信号S₀的粗测频率f₀，并在频谱上通过估计频谱3dB宽度获得脉冲信号的粗略带宽BW；其中，所述估计频率的方法一般为峰值法。

步骤2，如图3所示，基于粗略带宽BW构造滤波器；将待处理的多个脉冲信号根据粗测频率f₀进行数字下变频后输入所述滤波器进行滤波，并对滤波后的脉冲信号进行时域变换；

(1)首先是基于粗略带宽BW构造滤波器，该基于粗略带宽BW构造的滤波器为中心频率为0，带宽为2×BW的滤波器。

(2)将待处理的多个脉冲信号根据粗测频率f₀进行数字下变频，具体为：将粗测频率f₀作为数字下变频的本振频率，由此对多个脉冲信号进行数字下变频，将多个脉冲信号变到零频。

(3)进行下变频后输入所述滤波器进行滤波；此时，考虑到脉冲信号 S₀的粗略带宽BW存在估计误差，如果估计误差与粗略带宽BW的值相当或者更高，可以通过适当增加滤波器带宽(一般可取估计误差的2倍)，来确保输入滤波器的脉冲信号主频接近滤波器中心频率。

(4)对滤波后的脉冲信号进行时域变换，以降低计算量，本实施例设定时域变换的倍数为N。

步骤3，通过将时域变换后的脉冲信号进行FFT变换得到脉冲信号频率的精确估计值。如图4所示，步骤3包括：

步骤31，将时域变换后的脉冲信号进行FFT得到梳状谱；脉冲信号经过数字下变频、滤波和时域变换后，多个脉冲信号的FFT变换后的梳状谱上将有信号频率和脉间周期的双重调制，梳状谱的一般形式如图5所示，可以看出梳状谱一般具有多个频率峰值，并且呈现一定的对称性；

步骤32，基于梳状谱估计脉冲信号频率，具体地，从梳状谱的多个频率峰值中找到位于梳状谱正中心对应的频率峰值，该位于梳状谱正中心对应的峰值即为估计的脉冲信号频率。其中，所述找到位于梳状谱正中心对应的频率峰值方法为：

(1)根据粗测频率f₀确定位于梳状谱正中心对应的频率峰值；也即是说，由粗测频率f₀可以大致找到其附近的频率峰值，与该粗测频率f₀接近的频率峰值即为位于梳状谱正中心对应的频率峰值。

或者，

(2)利用梳状谱的对称性确定位于梳状谱正中心对应的频率峰值。

步骤33，根据估计的脉冲信号频率换算出脉冲信号频率的精确估计值，具体方法为：

f＝(N×f₁)+f₀；

其中，f为脉冲信号频率的精确估计值；f₀为粗测频率，也是数字下变频的本振频率；f₁为基于梳状谱估计的脉冲信号频率；N为时域变换的倍数。由此可见，脉冲信号频率的精确估计值的误差主要取决于f₁的测量误差，假设原数字采样率为fs，获得梳状谱时FFT点数为M，则梳状谱的分辨率为fs/(N×M)，f1的测量精度一般优于fs/(N×M)，所以脉冲信号频率的精确估计值的误差将优于fs/M。

通过上述的步骤1～步骤3，本发明利用对脉冲信号数字下变频和滤波的方式，将信号变到零频附近，并根据脉冲信号的粗略带宽进行滤波和数字降速，由此本发明能够在提升频率测量分辨率和精度的同时，降低运算量，用较小的运算量提升了频率估计精度，更加有利于实时处理场景下的脉冲信号频率精确估计。

为了证明本发明所述的基于数字下变频的信号频率精确估计方法的有效性和实时性，对上述基于数字下变频的信号频率精确估计方法的步骤1～步骤3完成实现并进行了仿真试验。

仿真的条件如下：利用信号源产生脉冲信号，脉冲信号的频率在 5GHz～6GHz随机设置，脉冲宽度4us，脉冲间隔80us，采集设备的采样频率500MHz，并基于DSP板进行计算测试。

在不同信噪比条件下进行了测试和误差统计，每次精确测量使用12～15 个脉冲，单次测试的时间延迟500us～800us，能够满足实时处理要求。

每种条件下进行100次仿真测试，统计了不同信噪比条件下的频率误差的均方根，二者的关系如下表。

表1不同条件下的频率估计误差统计结果：

信噪比(dB)	2	3	5	8	10	12
							均方根误差(KHz)	2.12	1.91	1.42	1.13	0.89	0.82

由此可见，本发明所提出的基于数字下变频的信号频率精确估计方法可以有利于实时处理，并且测量精度高，运算量小，并且在低信噪比条件下也能达到很高的测量精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于数字下变频的信号频率精确估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对单个脉冲信号S₀进行FFT变换并估计频率和带宽，获得该脉冲信号S₀的粗测频率f₀以及粗略带宽BW；

步骤2，基于粗略带宽BW构造滤波器；将待处理的多个脉冲信号根据粗测频率f₀进行数字下变频后输入所述滤波器进行滤波，并对滤波后的脉冲信号进行时域变换；

步骤3，通过将时域变换后的脉冲信号进行FFT变换得到脉冲信号频率的精确估计值。

2.根据权利要求1所述的基于数字下变频的信号频率精确估计方法，其特征在于，步骤2中基于粗略带宽BW构造的滤波器为中心频率为0，带宽为2×BW的滤波器。

3.根据权利要求3所述的基于数字下变频的信号频率精确估计方法，其特征在于，如果脉冲信号S₀的粗略带宽BW的估计误差与粗略带宽BW的值相当或更高，可以通过适当增加滤波器带宽来确保输入滤波器的脉冲信号主频接近滤波器中心频率。

4.根据权利要求1所述的基于数字下变频的信号频率精确估计方法，其特征在于，步骤2中将待处理的多个脉冲信号根据粗测频率f₀进行数字下变频是指，将粗测频率f₀作为数字下变频的本振频率，由此对多个脉冲信号进行数字下变频，将多个脉冲信号变到零频。

5.根据权利要求1所述的基于数字下变频的信号频率精确估计方法，其特征在于，步骤3包括：

步骤31，将时域变换后的脉冲信号进行FFT得到梳状谱；

步骤32，基于梳状谱估计脉冲信号频率；

步骤33，根据估计的脉冲信号频率换算出脉冲信号频率的精确估计值。

6.根据权利要求5所述的基于数字下变频的信号频率精确估计方法，其特征在于，步骤32中基于梳状谱估计脉冲信号频率的方法为：从梳状谱的多个频率峰值中找到位于梳状谱正中心对应的频率峰值，该位于梳状谱正中心对应的峰值即为估计的脉冲信号频率。

7.根据权利要求6所述的基于数字下变频的信号频率精确估计方法，其特征在于，所述找到位于梳状谱正中心对应的频率峰值方法为：

根据粗测频率f₀确定位于梳状谱正中心对应的频率峰值；或者，

利用梳状谱的对称性确定位于梳状谱正中心对应的频率峰值。

8.根据权利要求5所述的基于数字下变频的信号频率精确估计方法，其特征在于，步骤33中根据估计的脉冲信号频率换算出脉冲信号频率的精确估计值的方法为：

f＝(N×f₁)+f₀；

其中，f为脉冲信号频率的精确估计值；f₀为粗测频率，也是数字下变频的本振频率；f₁为基于梳状谱估计的脉冲信号频率；N为时域变换的倍数。

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